曼氏血吸虫尾蚴利用弹性流体动力学耦合实现高效游动

许多寄生虫的运动能力对其感染宿主的过程至关重要，血吸虫曼氏血吸虫的传播周期即为典型例证。在其感染人类的阶段，未成熟的、亚毫米尺度的寄生虫形态——称为尾蚴——在淡水中游动，并通过穿透皮肤感染人类。这种感染导致血吸虫病，这是一种在全球社会经济影响上堪比疟疾的寄生虫病。鉴于尾蚴不进食，因此其寿命有限，约为 12 小时，高效的运动能力对于寄生虫的生存和血吸虫病的传播至关重要。然而，目前缺乏对尾蚴如何游动的第一性原理理解。通过结合实验、理论和机器人学的方法，我们证明了尾蚴通过利用一种独特的弹性流体动力学耦合来推动自身对抗重力。我们展示了尾蚴以周期性方式摆动其尾部，同时在其后端和前端附近保持固定的柔韧性。这些区域的柔韧性允许流体阻力和弯曲阻力之间发生相互作用——即弹性流体动力学耦合——从而自然地打破时间反演对称性，并在小尺度下实现运动。我们提出了一个理论模型，即“T 型游动者”，它捕捉了尾蚴的关键游动表型。我们进一步通过“T 型游动者”的宏观尺度机器人实现，实验验证了我们的结果，解释了尾蚴独特的叉状尾部几何形态。最后，我们发现尾蚴将其后端和前端的柔韧性维持在理论模型所预测的高效游动的最佳状态。我们预期，我们的工作为将曼氏血吸虫尾蚴的游动与疾病传播联系起来奠定了基础，并使得探索预防血吸虫病的新策略成为可能。